智能船艇“海上争锋”

史婧力 整理

2019 年10月10日～13日，“海上争锋”2019中国智能船艇挑战赛在山东日照举行。本次比赛是我国首次在实际海域海况条件下举办的无人智能船艇比赛。比赛设有遥控绕标赛、自主绕标赛、穿越险阻赛、海上争锋赛、新型智能船艇功能展示竞赛5个类别，重点考核智能船艇的性能、能效、自主航行、障碍规避、目标搜索与识别、任务规划和协同策略等水平，共有30余支队伍、120余人参赛。经过3天的激烈角逐，最终上海交通大学“追梦3号”等3艘船艇获得了E组比赛一等奖。本刊选取获奖参赛船艇，以文字、图及视频的方式向业界展示此次赛事的技术亮点。

一等奖

1. 追梦3号

设计团队：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院

技术亮点

● 基于船艇四自由度耦合动力学方程的航迹规划与循迹控制功能：考虑“追梦3号”高速滑行艇船型，在对船艇动力学模型精准辨识与建模的基础上，分析其动力学约束与响应并作为优化目标代入规划与控制算法，算法解算后对执行层发送操舵与油门指令，达到对船艇的最优化柔顺控制。

● 高速船艇避碰功能：考虑“追梦3号”较高的航速，对于船艇航行安全的危险目标避碰功能在实时性上提出了更高的要求，在对船艇高速航行条件下安全临界区域的建模与计算基础上，对经典避碰算法引入如并行计算、趋避因子以及上面所述的动力学限制等元素，实现快速、局部最优的避碰。

● 基于船艇运动状态及恶劣气候条件下的海上目标感知与识别：考虑“追梦3号”在大海况条件下运动所产生的横摇、纵摇运动对海上目标图像的干扰，同时考虑恶劣气候条件（如雨、雾、反光）造成的海上目标图像失真，在经典算法基础上引入海上目标的特征进行修正与还原，增强算法对海上环境的适应能力。

相关介绍

“追梦3号”无人艇，总长7.02m，型宽2.51m，排水量约2.55t，最高航速可达30kn。该艇经过实验室课题组硬件智能化改造后，航向控制上以继电器模块实现对电动导航泵的精准控制，从而实现对舷外挂机的精准程控；目标感知上采用雷达与船用摄像机群组合探测的方式，其中雷达采用FMCW原理能在全气候下工作，目标感知距离达50m至66km；船用摄像机群集高灵敏度红外探测器、红外锗镜头、高清摄像机、球形护罩、高速云台等于一体，它能够穿透黑夜，在雾霾和雨雪环境也有较好的表现，可提供全天候的图像监控；导航上采用GPS与惯导集成的组合导航模式，实时位置定位精度可达米级，艏向角精度可达0.1度级。

2、 Spaitlab-USV120

设计团队：北京理工大学 队员：周治国 徐力生 荆朝 孙佳恩 周学华

技术亮点

● 通信技术：采用WIFI+4G的通信方式，对比单一的通信模式，该方法能够保证通信适应不同的场合。

● 自主返航：在失去通信的情况时，可以通过自主返航方案，保证无人船航行的安全。

● 运动控制：采用一种将二次函数模型和PD算法相结合的控制方案，提高了智能无人船的转弯的响应速度。

● 视觉系统：采用深度学习算法，实现对复杂水面背景下目标的识别，具有较强的鲁棒性。

● 水文采集：搭载多种监测传感器，以遥控/自主的工作方式，完成相关环境的实时监测及巡航监测任务。

3. 港口安防“智”方案

设计团队：同方佰宜科技（北京）有限公司

技术亮点

● 可实现人工操作方式、操作杆方式和遥控方式的实时切换。

● 可实现航路规划、区域规划、自主导航和自主避障功能。

● 具有视频监控和录像功能，并且可根据用户需求加载声拒止任务载荷、蛙人声呐任务载荷、水样检测任务载荷等，实现功能定制。

相关介绍

基于无人艇的水面、水下智能安防方案组成：智能巡航无人艇、昼夜摄像机+声拒止的水面察打设备，以及智能巡航无人艇、高频警戒声呐+等离子强声对抗的水下察打设备。该方案以确保安防效果为主旨，以减轻人工工作强度、提高安防智能化、精准度为目标，在有效解决安防的同时，减少物力、财力的支出。

二等奖

1. 带动力的独立模块无人船

设计团队：上海海事大学

技术亮点

● 模块化设计后，可根据不同情况组合出不同的船只，适合对各种环境变量，包括图像、风速、水流等，进行侦测的环境感知无人船，可在不同的环境感知无人船上搭载不同的传感器，以期实现更高精度的测量。

● 所有底层硬件设备通用，可带来较快的维修更换速度。

● 增加通信保障无人船，搭载相关增强定位设备，支持了RTK厘米级定位等，实现高精度的作业；加入供电无人船和拖船，满足无人船长时间野外航道、近海、远海等的作业，并在故障发生时，及时对受损无人船进行回港维修，可大大降低无人船边际成本，提高其应用场景。

2、双体综合救援船光子号

设计团队：哈尔滨工业大学（威海）队长：刘崇生队员：朱应俊 青彦余 郭丽慧 刁秀玮 祝淑婷 巩凯

技术亮点

● 新型的双体船+龙门吊架构。

● 矢量风扇推进+螺旋桨推进的复合推进方式。

● 智能航行+丢失自动返航。

● 智能识别。

● 海上救火+漂浮物打捞。

未来技术实现

● 识别火源后自主运算水流落点，自主灭火。

● 龙门吊自主识别抓取。

● 螺旋桨推进和空气桨推进协同控制，实现最大推进效率。

3. 基于协同控制的海上自主变形平台

设计团队：上海交通大学船建学院队员：于特 周畅 江鹏 胡长俊 黄远娇

设计灵感

该平台设计理念源于不具备单独作业能力且活动性差的平台。图1是spacex的火箭发射平台，图2是平台的协同拖曳。这样的平台其灵活性很差，不具备单独作业能力，那么如果把其拆解为诸多子模块小型水面船舶，是否会让其有更广泛的应用前景呢？该船的设计理念由此而来。首先对超大浮体进行模块化设计，把其分解为诸多子模块，利用子模块的快速性、集群性完成更多任务。另一方面，设计这些子模块为可重构无人船，使其可以根据需要重构为不同形状，如船体、超大甲板、浮桥等。

技术亮点

● 同构的对接设计，任何船可以在任何位置与其他无人船进行对接。

● 去中心化设计，如若某无人船受损，其他无人船可替代其位置，整体功能不受影响。

应用前景

● 可重构为海上浮桥：相对人为安装浮桥，效率更高，且可重复利用，适用度更广。可重构为海上浮桥，用于连接两岸或者两个大型船舶、平台、快速转移人员、物资等。

● 可重构为海上浮体：单个无人船具有超大浮体不具备的快速性，航行速度快。可重构为海上浮体，用于停靠无人机，在此基础上，可继续研究对无人机物资、燃料、电量的自动补充，进而扩大无人机的使用半径。

● 可重构、同构的无人船：动态警戒，可以多艘无人船围绕一条母船进行巡航。基于无人船集群，可以展开空中无人机巡航、水下布放auv，实现立体全面的动态防护。

4. 天下号智能双体船

设计团队：哈尔滨工业大学（威海）

技术亮点

● 太阳能供电系统：控制系统采用太阳能供电，船体上安装有柔性太阳能板，弱光条件下也可发出9V电压的电能，通过太阳能控制器给锂电池充电，可以实现无人船与地面站之间无间断连续通讯。

● 水冷系统：

● 防水设计：严密防水，采用3D打印的摄像机外壳，防水性能极佳，保证图传系统在恶劣天气下也能正常运行。

● 可靠性：翻船自救，整船水密性极好，所有设备做到防水，船舵上加装翻船水舵，在船倾覆的情况下，可以利用螺旋桨风力作为动力，水舵控制方向，驶回岸边，无需救援船。

后续改进技术

● 导航精度、惯导和GPS融合，加装惯导，采用卡尔曼滤波，提高导航精度，在GPS信号丢失的情况下仍能正常航行。

● 避障功能，采用360°检测。采用多个激光雷达准确判断障碍物的具体方位和距离，制定更加合理的避障策略，实现船舶航行最优化。

● 动力系统供电，增大覆盖面积。加大柔性太阳能板的覆盖面积或者实现部分船身由太阳能板制作，能够为船舶动力系统供电。

相关介绍

采用双体船结构，减少受波浪干扰，高速航行尤其平稳。动力系统采用双桨单舵，搭配120A电调和2200kv无刷电机，采用6s电池独立供电，时速最高可达90km/h，续航能力10km。无干扰条件下，图传距离实测23公里，数传距离31公里，发射接收双冗余，丢包重发，并可连接地面站随时调参。控制系统配有双罗盘、GPS，可以实现动态控制、路径规划、自主航行功能，并采用激光雷达测距避障，采用的策略是探测前方5米内有障碍物，舵机转向设定角度，航行设定时间，实时监测前方障碍物，直到前方无障碍，并依靠GPS定位逐步返回到设定路径，继续航行。

5. 基于声呐的无人船排污口检测

设计团队：上海海事大学

技术亮点

侧扫声呐，通过换能器走航时向两侧下方发射扇形波束的声脉冲，并接收信号记录下来。工作时发射出的声波投射在海底的区域呈长条形，换能器阵接收来自照射区各点的反向散射信号，经放大、处理和记录，在记录条纸上显示出海底的图像。回波信号较强的目标图像较黑，声波照射不到的影区图像色调很淡，根据影区的长度可以估算目标的高度。

实船试验与测试

● 侧扫声呐测试验证：在“海翔”号上搭载Towfish DE340型号的侧扫声呐，其测试和工作平台如图所示。

● 室内通电测试：主要检查各种设备硬件连接、通信是否正常，模拟采集是否正常，备件是否齐全。同时整理新进设备随机资料，制作开箱验收单，归档相应的资料。

● 测深稳定性测试：将测量船停泊在一处水深超过5m的安静码头水域，连续开机采集8h以上，在5m处放置水深检查板进行数据采集，以中央波束为准检查仪器稳定性。

● 测深精度符合性测试：在上海临港地区附近选取一处范围100m×10m左右（现场根据实际情况适当调整）的自然水域实施条带盖测深，对测区进行全覆盖测量，根据测量区域水深和开角设计计划测线，分别采用不同扫宽、不同测量模式、不同船速等不同设置进行测量。使用该条带多波束垂直于主测线设计检查线，为保证检查线水深精度，检查线开角计划使用90°。将不同采集设置采集的数据经过处理后，使用主测线与检查线测深数据进行内符合检查，并与现有水深图进行外符合比对检查。

● 障碍物探测能力测试：为检查该条带多波束发现海底障碍物能力，在临港航道北侧水域处进行测试，使用准备Towfish DE340侧扫声呐对其进行全覆盖扫测。

6. 用于海洋牧场的绿色智能三体无人艇——涵泽号

设计团队：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院队员：杨鑫德 齐世霏 李选鹏 张东超

技术亮点

● 高稳性低阻船型：设计具有内倾式船艏的、引入压浪条的三体穿浪船型。能够实现耐波性、适航性、快速性、减小抨击载核的性能优化。

三维建模图

三体穿浪船型

引入楔形压浪条，平稳穿浪

● 智能航行技术。海洋牧场环境复杂，航行持续时间长需要做好养殖网箱等障碍规避。针对可能的突发情况需要与上位机实时通讯。解决方案为：与上位机通信，可回收数据、手动控制。基于GPS定位、激光雷达协调作用的自动航行，基于4G网络的通信技术。在广域海面行视时，我们主要依赖于GPS定位，在复杂海域，主要利用的是激光雷达的避障和路径规划，借助于4G网络和内网穿透技术完成了船上工控机与上位机的实时通信。

相关介绍

船型方面，该艇采用内倾式船艏与楔形压浪条联合使用的高性能三体船型，CFD计算结果及实艇航行测试结果表明：在设计航速下，采用三体船型设计相比常规船型大幅度提高了船舶稳性，横摇角幅值减小约40%，并有效减轻“海豚跳”现象；内倾式船艏在遭遇波浪时能劈开波浪并使上浪快速流出甲板，同时尖锐的外形可以减小高速航行时的风阻；楔形压浪条带来了超过16%的阻力减幅，并有效减少了甲板淹湿；在横剖面常速入水实验中，以0.5m/s的低速入水时楔形压浪体提供可以提供较小的回复力，以1m/s的高速入水时楔形压浪体提供的回复力明显增大，可以有效地抑制无人艇的埋首、纵摇等运动。能源方面，本艇以风能、太阳能为无人艇能源来源，通过风帆受风作用获取航行器前进的推力，太阳能供电系统将太阳能通过光电转换转化为电能，为用电设备提供能源，同时针对风帆艇气动-水动跨介质动力学特点，设计了相应的自动航行控制算法，通过分析所选用风帆的空气动力特性原理，获取风帆无人艇的最大推力系数函数和最佳操帆函数，以此为基础精确操帆与实时获取最佳艏向角，从而完成以艇速最大为目标的艏向控制。智能控制方面，该艇舵机控制、螺旋桨控制均采用标准通信协议接口，可作为航行算法（如无人艇路径规划算法、避碰算法、循迹算法等）原理及内湖测试验证的公共平台。

三等奖

1. USV-H2500无人测量艇

技术亮点

● 集成化、模块化、易拆卸、可实现各种不同任务载荷，任务载荷＞70KG，4G通讯，无距离限制，5G实验已成功，续航时间可达7天。围绕无人船+任务载荷，将为内河及海洋测绘行业带来无人化和智能化技术革新，为无人系统在内河及海洋科技领域发展带来新的方向。

设计团队：武汉劳雷绿湾船舶科技有限公司

● 超越传统人工作业范围。针对浅水、暗礁、碎石、传统测绘船进入危险性大，测绘工作难度大。

● 解放人力，测绘效率高。传统水上测量的首要工具就是船，不管是市郊的江河，还是僻静的水库，找到一艘适合测绘人员开展测绘作业的船只也不是一件容易的事情。一艘无人测绘船仅20多公斤，可轻松装车携带，搬运也非常轻便简单，这就节省了因找船、调度而花费的大量额外时间和精力。最重要的是效率明显提升。仅以此次测量为例，延岸4公里，外延50米，间距50米的断面测绘，用无人船仅耗时40分钟，比起传统人工驾船测量需要的4小时，时间效率上整整提高了5倍，测量人员只需待在岸边进行操作。

● 经济价值显著。无人船的出现是具有显著经济价值的。传统的水上测量，除了费时费力，还费钱，不仅养人养船需要不菲的开支，船只等物资的维护费用也不低。无人船的出现，可以在保障更高效率作业的基础上，减少人力和物力的投入，运作成本更低，一举两得。

● 测绘精度更高。无人船不仅要为测绘领域创造更加宽泛、高效、经济的作业模式，最根本的还在于要为水上测绘提供更加高精度的测量水准。由于无人船的作业全程均受计算机控制，可以让作业过程严格按设定执行，任务结果更准确、更标准。加上无人船船体短小轻便，具有更高的舵效（亦即舵对航向的控制能力），因此其贴线精度可由传统的若干米提升至±0.5米，大大增加了测绘的准确度。

2. 海上骑士无人作战系统

技术亮点

● 船体结构方面：主船体采用深V型滑行艇，设计了两个纵向断级，四个压浪条，通过这些来保证船艇的快速性，该船的傅汝德数为Fr=V/√gL=0.556；船体干舷处加装浮性附体，改善其横摇恢复力矩，提高其适航性；采用双桨差速与船首空气螺旋桨结合的操纵方式，在船首安装两部无人机用大推力空气螺旋桨，辅助转向和精准定位；舱口处设置小围板，上船壳扣在围板外围，甲板上浪之后可以自动形成一个水密条，防止船舱进水。

设计团队：哈尔滨工业大学

● 云台结构：云台功能的实现包括两个独立的动作，分别是绕YAW轴的横向左右摆动和绕PITCH轴的纵向上下俯仰。采用两轴云台，由于产品在测试阶段，另只需完成简单的动作，尚无需大扭力的运动，因此采用两个舵机代替云台电机足以完成运动。在完成测试后，更换扭力更大，控制更为精准，稳定性更强的GM6020电机。

● 动力系统方面：本作品采用后置双桨推进，考虑到水下侧推对船体强度和阻力的影响，故在船首加装两个空气螺旋桨侧推来实现动力定位。

相关介绍

本款无人船艇作战系统，能够实现自主航行至目标海域，自主识别目标并对其进行追踪监视，应用激光武器等对敌打击。本项目立足海洋，服务国防，应用前景十分广阔。可用作民用陌生海域探测、复杂海况的作业；军用可用作未知入侵船只监视，近海或随母船远洋对敌打击、编队协同作战等。无人作战平台在设计时无需考虑人的因素及其相关的设备，平台的设计完全以任务为中心。不存在人员伤亡或被俘的危险，是确保战斗人员伤亡降到最低程度的有效途径。成本低廉，全寿命费用大为减少，隐身性好。能够实现无人驾驶，方式以遥控操作或者自主运作，能够携带武器进行作战任务。其主要功能包括自主定点巡航、目标监视追踪、目标识别打击和终端界面操作。从实际意义上，能够进行军用侦查打击、科研探索和渔业服务。

3. 欠驱动无人船的动力定位

设计团队：上海海事大学

技术亮点

● DP系统：动力系统提供全船设备工作所需的电能，完成燃料化学能到电能的转变；推进系统则根据DP控制器给出的转速、螺距等指令，完成电能到力/力矩的转变；作为船舶对环境的感知系统，位置参考及传感器系统完成对船舶位置和姿态等运动状态和风速、风向等环境参数的测量；而作为整个系统的神经中枢，DP控制系统利用位置参考及传感器系统所感知到的外界环境和船舶状态信息，根据系统中设定的控制功能和控制规律协调指挥推进器系统中的各个推进器进行工作，从而最终实现DP功能。

相关介绍

为使船舶在海洋中保持特定的位置，“锚”是广为采用的一种简便方法。然而，当水深超过600米时锚泊方法的成本和可行性都变得较为复杂，而且新型无人船都是无“锚”设计，急需一种新型的定位设计。其次，通常无人船不配置横向推动器，属欠驱动控制，在低速运动状态下无人船的操纵性能和舵效相对较差，而靠泊精度要求又高，很难实现对艇的镇定控制。

4. 基于视觉伺服的无人船自主靠泊

技术亮点

● 通过摄像机读入图像，然后进行泊位标志物检测，之后进行视觉导航，获得航向偏差角和偏航距离，最后利用PID进行路径控制。

● 标志物检测环节，包括RGB空间转HSV空间，设置期望颜色阈值，二值化处理并进行中值滤波，形态学处理消除干扰，获得标志物几何中心和边界并在图像中显示。

● 视觉导航策略中，自主靠泊类型为泊位外镇定且选择距离泊位标志物1.5m-2.5m处为靠泊区域，区域中心为期望位置，垂直于标志物表面的航向为期望航向。控制器的控制变量有航向偏差角和偏航距离，故先计算这两部分。

设计灵感

大型船舶靠泊依靠拖轮，小型船舶在条件允许时可进行自力操纵靠泊，但70%的靠泊事故与驾驶员在港内不良船艺有关，急需通过精确的自主靠泊规避风险。通常无人船不配置横向推动器，属欠驱动控制，在低速运动状态下无人船的操纵性能和舵效相对较差，而靠泊精度要求又高，很难实现对艇的镇定控制。仅仅利用卫星导航，造成其对周围环境感知能力不足。基于此，有此设计理念。

优胜奖

1. 基于RGB-D相机和激光雷达的无人船河道违章建筑检测

设计团队：上海海事大学

技术亮点

● leaky ReLU。相比普通ReLU，leaky并不会让负数直接为0，而是乘以一个很小的系数(恒定)，保留负数输出，但衰减负数输出。

● 分而治之。用网格来划分图片区域，每块区域独立检测目标端到端训练。损失函数的反向传播可以贯穿整个网络，这也是one-stage检测算法的优势。

实船试验与测试

河道违章建筑检测：根据设置好的航路点，自动识别河道两边的违章建筑。

相关介绍

采用RGB-D加激光雷达的SLAM形式，主要是克服RGB-D相机获得的深度图像中存在缺失值现象，并期望获得更丰富的环境信息。

对已存在的图像，进行图像库整合，并利用人工神经网络中的YOLO-V3进行目标检测，发现违章建筑，并进行图像分类，结合GPS信息和RGB-D（或双目立体视觉相机）相机的深度信息精确定位违章建筑位置，并利用激光雷达的点云阵列对违章建筑物规模进行一个估算，汇总到指挥中心。由于RGB-D相机存在图像缺失值现象，所以要对其进行数据预处理，修复深度图像。流程图如左图所示。

移动船载激光雷达不可避免地存在抖动，而且外界光照条件不可能保持恒定不变，加上被测物体存在镜面反射或透射而使测量不准，所获得的距离角度信息通常包含了很多噪声，在使用之前要采用中值滤波对数据进行处理。

2. 机器河长

设计团队：上海海事大学

技术亮点

● 通过模块实现图像采集部分，包括河岸违章建筑和水面漂浮物检测。通讯部分，包括数据传输和图像传输。水质检测部分，包括实时采样水体含氧量、浊度、PH值，根据指挥中心的要求，可对目标区域水体进行连续采样。

● 机器河长搭建了云服务的信息化平台。搭建思路如下：一是机器河长按规定计划进行巡航。二是对重点区域进行连续监控，及时发现河道上发生的问题和生态环境破坏行为，包括：疑似污染源、黑排污口、违法违章行为。三是指挥中心处理数据。四是及时给出原因分析和处理建议，作为管理者进行决策依据。五是告别单兵作战，走向协同治理，根据云服务器存储数据，各部门协调联动治理河道。

设计理念

设计机器河长源于上海两万余条河道纵横交织，且河道狭窄难进入，两万余条河道中90%为乡级管理河道，为水域治理法外之地，河道狭窄，巡航船只难以进入。人工效率较低，效率不高、应付式巡河问题，存在疏忽与遗漏。协同治理难操作，河道管理局，绿林局，环保局，城管部门都需要对河道进行监控管理，工作区域会有重合部分，跨部门的工作难以展开。巡航强度大，违章建筑较多，排污区域密集。与人工河长相比，机器河长具有体积小，想去哪就去哪、巡航速度快、搭载4G通讯模块和采集数据种类丰富准确的优势。